由光纖和發光元件或接收元件組成一體的光學部件及其制造方法

專利名稱：由光纖和發光元件或接收元件組成一體的光學部件及其制造方法
概括地說，本發明涉及一種光學部件及其制造方法和應用。具體地說，本發明涉及一種由發光元件或接收元件與至少一根光導體固化或結合為一體的光學部件，這種光學部件不用把發光元件或接收元件與光導體彼此相連。本發明還涉及上述結構的光學部件的制造方法。本發明還提供與各種傳感器、光路、顯示板照明器以及其它元件共同工作的光傳輸系統，它們利用本發明的光學部件并能用在各種家用電器、汽車、工業機器設備和其他裝置上。
在光源(如發光二極管發光元件)與光導體(如光纖)連接方面，有一種利用插入的透鏡系統實現的連接方法和一種利用“OPTRONICS”雜志第4期第50-57頁(1984年)、日本公開專利申請No.132110/1982(JP-A-57-132110)等所公開的連接器實現的連接方法。盡管可以減低這些連接的損耗，但是這些連接光纖和光源的已知方法需要高級的技巧，而且耗費大。其次，現有的連接技術在應用領域受到很大限制。附

圖1A到1C所表示的連接方法是一些已知的簡單的連接方法。更具體地說，根據圖1A所示方法，由連接了引出線1并封在環氧樹脂模壓殼體里的半導體基片構成的發光二極管或LED2，在其端部用粘接劑5直接和由玻璃芯3及玻璃包層4組成的光纖相連。圖1C所表示的連接方法與圖1A所表示的類似，不同的是LED的端部是平的。圖1B所表示的連接結構是用這樣的方法得到的，即用透鏡6匯聚LED2發出的光，然后再把該光投射到光纖端面，光纖和LED沒有連在一起。
雖然上述方法只用簡單的連接技術，但是它們造成很大的連接傳輸損耗，并且只限于一些特殊應用，現有技術的連接技術主要考慮能夠保證單一光源發出的光均勻地分布到每根光纖上的連接方位或布局(例如，光纖相對于光源的安裝角度)。例如，下面將考慮JP-A-55-7742和JP-A-50-126438的情況，根據在主要考慮單一光源相對于多根光纖的安裝角度的這些出版物中公開的連接方法，采用了如圖2A到2C所示的連接方法。參照圖2A，把多根光纖12的各個光纖的端部與球體18的表面互相接觸，使光纖光軸分別與垂直于球面的方向一致，用粘接材料14把光纖固定之后，再拆除球體18。最后得到輻射狀排列的光纖，然后用圖2B所表示的方法把光纖和光源9連接起來。另外，在圖2C所表示的連接方法中，平頭錐形束10的每一根都是平頭錐體，而且每一根都有可容納所連光纖12的中心孔。然后把光纖分別穿過各個中心孔的平頭錐體，并在其小端捆起來，使它們彼此準直并形成一個三維輻射狀排列的光纖。然后對光源9定位。但是上述各種連接方法在實踐中有很多困難。比如，在圖2A和2B所示的連接方法中，各個光纖在由粘接劑材料固定之前，很難把它們按適當角度分別固定在各自預定位置。此外，另一個問題是由于這些光纖端面有可能被從球形模元件18的球面拆下光纖束的拆除劑及粘接材料14污染，所以很難有效地利用或傳輸光。同樣，圖2C所表示的連接工藝在實踐上是非常難的，因為需要為每一根光纖準備平頭錐形元件。在這情況下，圖2C所示的安排目前在實踐中是不適用的。
JP-A-62-89914所公開的方法著重在很大程度上解決上述問題。根據這種方法，用與光纖芯的材料一樣的材料或用與光纖芯的折射率一樣的材料把發光元件或接收元件與光纖作成一個整體。由于發光元件或光接收元件與光導體按該方法固化成一體，因此不需把發光元件或接收元件與光導體相互連接。此外，由于發光元件或接收元件是模壓或封裝為一體的，并且用一種與光導體芯材的折射率一樣的硅樹脂把它與光纖整體連接，所以連接損耗顯著地降低了。但是，這種方法有如下所述的缺點。只要這種光學結構在室溫附近較低的環境溫度下使用和工作，這種方法確實沒有下面提到的實際問題。的確，當以圖14A所示的結構把發光元件或接收元件與光導體成一體的光學部件在高溫環境條件下(例如130℃或更高)使用，光纖的芯子就從其端部突出來，如圖14B所示，從而裸露的芯子部分的漏光造成的光損耗顯著增大。另一個問題是有可能在發光元件或接收元件與封裝樹脂的界面上或界面附近出現開裂或破碎，從而引起光損耗增大。
因此本發明的目的是提供一種包括發光元件或接收元件與光導體整體固化組件的光學部件，從而不需要發光元件或接收元件與光導體之間的相互連接，這個光學部件不僅可以在室溫下使用，也可以在高溫環境下使用，而沒有明顯的光傳輸損耗。
本發明的另一目的是提供一種制造上述光學部件的方法。
本發明的又一個目的是提供可以使用上述光學部件并適合用在家用電器、汽車、各種工業機器和設備上的裝有各種傳感器、光路、顯示板照明器等的光傳輸系統。
當用硅樹脂作包括如上所述整體結構的發光元件或接收元件和光導體的光學部件的光導體或光纖的芯材時，在環境溫度130℃或更高時，芯子部分有可能向外突出。換句話說，嵌入發光元件或接收元件處的芯子部分有向外突出的傾向。其次，在發光元件或接收元件與封裝樹脂之間的界面上或界面上附近有開裂現象。所有這些現象都使光傳輸效率大大降低。
在對引起上述有害現象的原因作了如下所述的詳細研究和驗證的基礎上，得到了預期改進上述光學部件的本發明。
一般來說，當用一種橋連或橋接(即交連)樹脂作光導體或光纖的芯材時，先制作一個包復層或包復層和外套的組件，然后把芯材注入，最后對它進行加熱或紫外線照射固化。這時，在這樣一種條件下進行固化，使得在用來增加包復層和芯子沿其之間界面的固著力的壓力作用下，包復層略微向外突出或伸長。換句話說，芯子應作得外徑略大于包復層或包復層和外套組件的內徑。因此，制作完后，該光纖處于應力狀態下，因為芯子總被包復層或外套束縛得緊緊的。顯然，該應力加大了芯子與包復層之間的固著力，然而，我們看到當用非常軟的芯材時，在包復層束緊力的作用下芯材很可能被擠出來。當溫度升高時，上述現象就更明顯。事實上，我們看到，當溫度在130℃或更高時，芯材就很快向外突出來。
芯材從包復層或包復層與外套的組件中突出出來的原因分析說明如下。如前所述，用制作芯子的單體填滿以FEP(4-fluorethylene-6-fluoropropyleneresin)作的管子(其直徑用dA表示)，然后加壓。由于壓力的作用，FEP管的直徑增大到dB。這時發生單體的聚合作用，使體積縮小。因此管子直徑從dB略微減小到dC(內徑為di)。與初始直徑dA相比，FEP管的直徑增大Δd1＝dC-dA。由于FEP管有恢復初始直徑dA的傾向，因此該管子總是對芯子施加夾緊力或擠壓力。加熱時，芯子在該夾緊力的作用下產生形變，因此使芯子向外突出。下面參照圖15A及15C詳細說明該現象。
首先考慮包復層對芯子施加的夾緊力。假定有一個內壓力作用在薄壁管上，從而芯子被使管徑dA為di所需的壓力夾緊。現在求包復層直徑增加Δd1＝dC-dA所需的壓力P。包復層沿徑向受的應力δ1由下式給出σ1=P · dx · rA=P · dx(dO+ei2)(dO-di2)dx]]>=P(dO+di)dO-di…………………(1)]]>式中d0是包復層的外徑，di是包復層的內徑(它也就等于芯子的外徑)。
包復層的應變ε1由下式求出ε1=σ1E1=P(dO+di)E1(do-di)]]>包復層直徑的增加Δd1由下式求出△d1=dO+di2· ε1=P(dO+di)22E1(dO-di)]]>
因此，讓作成的光纖包復層的直徑由初始直徑dA達到直徑dC的壓力P，即芯子被夾緊的壓力，可由下式表示P =△d12E(dO-di)(dO+di)2=△d1E1tr2……(2)]]>式中t為包復層的厚度，r為包復層的平均半徑。顯然，對于分別給定的Δd1和r值，該夾緊力取決于包復層的楊式模量E1、厚度t0換句話說，該夾緊力與E1和t乘積有關。
下面考慮由包復層的夾緊力引起的芯子的形變量。
為了簡單起見，下面考慮裸光纖在徑向壓力作用下產生的形變量。如果芯子沿徑向的形變量為δ1，沿軸向的形變量為δ2，壓力為P1，芯子直徑為di，芯子材料的楊式模量為E2，芯材沿徑向的應變為ε3，沿軸向應變為ε2，泊松系數為μ(＝ε3/ε2)，則有δ2=P ·diE2ε3=PE2ε2=ε3μ=PμE2]]>
因此，芯子沿軸向的形變δ1由下式求出δ1=ε2d=PμE2dx ………………(3)]]>由(2)和(3)式得到δ1=△d1E1tμE2r2dx ………………(4)]]>最后，將考慮處于用包復層封住狀態的芯子以及在芯子和包復層之間的摩擦力(固著力)，這時認為芯子沿軸向的形變量δ1比由(4)式求出的小，它可由下式求出δ1=PμE2dx-λ Pπd/E2]]>=△dE1tμr2E2dx-λπdipr2E2…………(5)]]>因此，為了減小沿軸向的形變量δ1，需要減小(5)式中第一項的值，或者增大第二項的值。減小E1＊t值或增大楊氏模量E2可以使第一項的值減小。對于芯材的給定的楊式模量值和夾緊力，芯子的形變量隨芯子與包復層之間的摩擦力(固著力)λ的增加而減小。
最后看到，減小E1＊t值(彈性模量與包復層厚度的乘積)或增加E2值(芯子的彈性模量)或者增加λ值(芯子與包復層之間的固著力或摩擦力)都可以抑制芯子向外突出。
為了方便起見，在下面的敘述中E1t用包復層的剛性表示，E2用芯子的剛性表示。
由于上述原因，當包復層用氟系列材料，芯子用硅系列樹脂制作時，(5)式中的第一項的值將減少，因為，芯子較軟而且E2值小。此外，因為氟系列樹脂與硅系列樹脂之間的固著力λ(摩擦力)非常小，所以(5)式中第二項的值很小。因此，芯子沿軸向形變δ1很大。芯子從光導體包復層突出的機理現在清楚了。
根據對各種作光纖芯子的材料的實驗結果，本發明指出，要用硬的材料作芯子，并且應當讓芯子與包復層或包復層/外套組件之間的固著強度大。具體地說，在使用包括整體結構的發光元件或接收元件和光導體的光學部件的氣氛或環境中(在低溫或高溫環境中)，芯材和包復層/外套材料的組合應這樣選擇，讓芯子與包復層或包復層/外套組件之間的固著強度大，讓芯材的剛性比包復層或包套層和外套組件的剛性大，使芯材在包復層或包復層/外套的束緊力產生的應力作用下不發生形變。
因此，根據本發明的第一方面，提供一種光學部件，它包括一個由透明芯材和折射率比該芯材小的包復層構成的光導體和一個發光元件或接收元件，其中用和芯材一樣的或折射率與芯材一樣的，而剛性比包復層或包復層/外套材料大的材料把發光元件或接收元件與光導體作成一體，從而保證芯子與包復層或包復層/外套之間的固著強度大。
根據本發明的第二方面，提供一種光學部件，它包括由透明材料制造芯材的光導體，折射率比芯材小的包復層以及分別用透明橋接樹脂(也叫橋連或交連樹脂)和其他折射率比橋接樹脂(即交連樹脂)小的樹脂雙層模壓的發光元件或接收元件，其中發光元件或接收元件與光導體用和光導體芯材一樣的或折射率與芯材一樣的，而剛性比包復層或包復層/外套大的材料，作成一體，使得保證芯子與包復層或包復層/外套之間的固著強度大。
使含有式(6)給出的單官能團單體作為必要成分的化合物和式(7)給出的多官能團單體化合物發生聚合反應，可以得到制造芯材的橋接樹脂(即交連樹脂)。
(其中R1表示H或CH3，R2表示H或從1到18碳烷基中選出的基，
(其中R3和R4代表從H，CH3構成的族中選出的基，n表示1到23的整數)。
使含有式(8)給出的多官能團單體作為必要成分的化合物發生聚合反應，可以得到橋接樹脂，
(其中R3和R4表示從H和CH3構成的族中選出的基，n表示1到23的整數)。
另外，使聚四氟乙烯和聚六氟丙烯發生聚合反應，可以得到具有小折射率的用于制造包復層或包復層/外套的樹脂。
根據本發明的第三方面，提供一種制造包括光導體和發光元件或接收元件的光學部件的方法，該光導體由用透明芯材作成的芯子和用折射率比該芯材小的包復層材料作成的包復層組成，這種制造方法包括兩步，第一步是用與光導體芯材一樣的材料或與芯材的折射率一樣的材料，使發光元件或接收元件模壓成型，該成型材料應能保證芯子和包復層/外套之間的固著強度很大，并且其剛性大于包復層或包復層/外套的剛性，第二步是用與光導體包復層一樣的材料或與包復層折射率一樣的材料使已封裝的發光元件或接收元件的表面模壓成形，從而發光元件或接收元件與光導體作成一體。
根據本發明的第四方面，提供一種制造這種由包括光導體和發光元件或接收元件的光學部件的方法，該光導體由用透明材料作的芯子和用折射率比芯材小的包復材料作成的包復層組成，該發光元件或接收元件用透明橋接樹脂和折射率比該橋接樹脂小的樹脂雙層模壓成型，其中發光元件或接收元件用與芯材一樣的或與芯材折射率一樣的，而剛性比包復層或包復層/外套大的材料包封住，上述材料能保證芯子和包復層或包復層/外套之間的固著強度大，已包封的發光元件或接收元件用與光導體包復層一樣的材料或者與包復層材料的折射率一樣的材料再包封一次，從而發光元件或接收元件與光導體作成一個整體。最好從本發明第二方面提到的那些材料中選取橋接材料。
根據本發明的第五方面，提供一種光探測光學部件，它包括光導體和探測置于發光元件和接收元件之間的介質的光傳感器，光導體由用透明材料作的芯子和用比芯材折射率小的包復材料作的包復層組成，其中用與芯材一樣的材料或與芯材折射率一樣的材料把發光元件或接收元件與芯子作成一個整體。在上述光探測光學部件應用的典型實例中，它可用作自動洗衣機的部件、自動吸塵器的部件、裝有汽油和/或潤滑油箱的汽車的部件、裝有汽油和/或潤滑油箱的工業機器的部件，可用作在包復層提供漏光部分的顯示裝置，還可在轉數測量儀中用作檢測轉角的光學傳感器等等。
根據本發明的第六方面，提供一種利用發光元件和接收元件之間的光傳輸進行信息或能量傳遞的光傳輸系統，其中該光傳輸系統包括光導體和發光元件或接收元件，該光導體由用透明芯材作的芯子和用折射率比芯材小的包復材料作成的包復層組成，該發光元件或接收元件用與該芯材一樣或者與該芯材折射率一樣的材料與該芯子作成一體。
由于上述本發明光學部件的結構是把發光元件或接收元件與光導體作成一體，這都可以大大減小或完全避免由發光元件或接收元件與發光導體之間的連接引起的光傳輸損耗，從而可以最有效地利用從光源發出的光。此外，它可以避免發光元件或接收元件與光導體之間的連接問題一這個實際應用中的最大障礙。還有，現有技術的發光元件或接收元件與光導體的組件用在高溫氣氛或環境時，傳輸損耗增加，這個困難或問題可以根據本發明滿意地解決。本發明的光學部件的應用范圍十分廣泛，它不僅可以用在工業機器和儀器設備上，而且可以用在民用電器(如家用電器、汽車等)上，更不用說現有技術的元件已經應用了的特殊領域了。
如前所述，本發明提供一種把發光元件或接收元件與光導體用透明樹脂模壓成型為一體的方法，其中成型材料(芯材)對包復層有限大的固著強度，并且其剛性比包復層或包復層/外套組件大。更具體地說，用與光導體芯材一樣的材料或與芯材折射率一樣的材料通過模壓成型把發光元件或接收元件封裝起來，然后再用與光導體的包復層材料一樣的或與包復層材料的折射率一樣的材料將其封裝起來。按照這種方法，發光元件或接收元件像光導體一樣被埋在雙層疊層結構中，從而可以滿意地得到將發光元件或接收元件與光導體固化或結合為一體的組件。當然，制造本發明整體結構光學部件的方法不限于上述方法。可以想象，有很多其他方法可以把發光元件或接收元件與光導體作成整體結構，只要光導體可以用雙層結構制造。例如，可以先加工出光導體的包復層，然后把芯材灌到該包復層里，再把發光元件或接收元件埋在該芯材里。
關于可以用來實現本發明的材料，芯材必須保證芯子與包復層或包復層/外套之間的固著強度大，并且其剛性比包復層或包復層/外套材料大。作為芯材的典型例子最好用上面提到的各種材料。但是只要滿足上述所需條件，其他材料如芳香族乙烯單體的均聚合物或共聚物，聚丙烯甲基丙烯單體與芳香族乙烯單體的共聚物等都可使用。
至于包復層，可以用聚四氟乙烯-聚六氟丙烯(FEP)作包復層，但是包復材料的折射率要小于芯材。
在實現本發明的最好方式中，包封發光元件或接收元件的芯材的折射率應當與光導體芯材的一樣，而包封發光元件或接收元件的包復層材料的折射率應當與光導體包復層材料的一樣。這樣，光的傳輸損耗可以更顯著地降低。為此，發光元件或接收元件的封裝層最好和光導體的封裝層用同一種材料。
這種包括整體結構的發光元件或接收元件與光導體的光學部件的光傳輸效率非常高，而且其應用范圍也大大擴大了。
具體地說，現有技術的光學部件總是需要把發光元件或接收元件與光導體連接起來，而有很大的連接損耗，而且需要很高技巧才能把傳輸損耗減小到實際上可以應用的水平。在這種情況下，當光學部件出現意外故障時，象批發商或家用電器維修站，汽車修理店及其他部門這樣的水平實際上不可能修復這種有毛病的光學部件。因此，盡管需求這種光學部件的領域和數量非常大，但是使用目前所知的這種光學部件的工業領域受到很大限制。事實上，盡管很難推斷這種光學部件的實用性，但它目前只局限于少數特殊工業領域，而很少用在家用電器設備方面。
與此相反，本發明的光學部件可以很好地用在各個方面，其中包括現有技術的光學部件不能應用的那些領域，例如用在洗衣機里檢測水的骯臟程度，用在吸塵器里檢測收集的灰塵量，用在各種家用電器設備里，用在轉角傳感器或轉數傳感器上，用在汽車上作為指示汽油和潤滑油的量和確定該潤滑油使用壽命的傳感器。不言而喻，在許許多多各種各樣的家用電器設備、汽車、工業機器和儀器中，光學傳感器遠比電傳感器優越得多。因此，可以使光學傳感器代替迄今使用的電傳感器的本發明，對發展和改進可以應用光傳感器的各種各樣的儀器和機器做出劃時代的貢獻。
此外，本發明的光學部件除了用作上面所述的種種傳感器之外，還可以不受限制地廣泛用在各種電路里。例如，假定有一個放在高壓設施附近的電路。不用說，該電路受到很大噪聲信號的干擾。這個問題是用光學回路或光路可以徹底解決。但是在這方面，把發光元件或接收元件與光導體連接起來是一個大障礙，使得基本上不能使用光學回路。現在本發明的教導使光學回路或光路同樣可以實際用于上述領域。
其次讓我們考慮顯示照明方面的情況，顯然，采用與光導體-對應的LED(發光二極管)作光源，不如用單個光源和多個光導體或光纖的作法好，在后一種方法中，用單個光源可以照明不同的地方。但是，因為連接LED和光導體有困難，所以目前這種光源與光導體-對應的結構只用在照亮一個位置或地方的情況。換句話說，照多個地方就得用多個LED。相反，用本發明的光學部件(它可以由LED與光導體如光纖作成一體來實現)可以最有效地利用光源而不需要任何昂貴的連接器或透鏡系統。最后，應當指出，可直接連到電路上的本發明的光學部件，還可用在除各種家用電器、汽車等以外的各種工業機器和設備的控制面板上。
正如由上述所知道的，根據把發光元件或接收元件與光導件作成一體的本發明，顯著地減小了在其他情形由于發光元件或接收元件與光導體的連接引起的巨大傳輸損耗。再有，由于不用把發光元件或接收元件與光導體連起來，本發明光學部件可以直接連到電路及其他儀器上。換句話說，按照本發明的教導完全消除了因把發光元件或接收元件與光導體連起來需要很高技術而使其應用遇到最大困難。隨著本發明光學部件的出現，完全可以予料到，這種光學技術將在各種各樣的領域得到廣泛的實際應用，其中包括在各種家用電器，為數眾多的工業設備及機器上的應用。
借助附圖，通過對下面的實施例的研究，本發明的上述及其它目的、特征和優點將更清楚。
圖1A到1C概括地表示一個發光元件與單根光纖連在一起的傳統方法。
圖2A到2C概括地表示出迄今所知的一個發光元件與多個光導體連接在一起的方法。
圖3A到3C表示根據本發明實施例把一個發光元件與單根光纖作成一個整體的方法。
圖4A到4D表示根據本發明實施例把一個發光元件與多根光纖整體連接的方法。
圖5A到5D及圖6A到6C分別表示根據本發明實施例把多根光纖與一個發光元件整體連接在一起的其它方法。
圖7A和圖7B是使用本發明光學部件的電動洗衣機的結構簡圖。
圖8A和8B是使用本發明光學部件的電吸塵器結構簡圖。
圖9及圖10是使用本發明光學部件的汽車油箱結構簡圖。
圖11是使用本發明光學部件的潤滑油箱結構簡圖。
圖12A及12B是可以使用本發明光學部件的顯示板裝置結構簡圖。
圖13是使用本發明光學部件的轉速計結構透視圖。
圖14A及14B是現有技術的光學部件結構圖。
圖15A到15C表示光學部件在高溫條件下，芯子從包復層或包復層/外套組件中突出的機制。
圖16列表給出了實現本發明的方式的例2到例3中和比較例1和比較例2中所用材料的成分，以及對相應光學部件所做的加熱實驗的結果。
現在結合實施例說明本發明。包括制造發光元件與光導體整體耦合或結合的光學部件的方法，以及該光學部件的典型應用。
例1(1)制備作光導體芯材的單體化合物，其含有70克甲基丙烯酸甲酯(methylmethacrylate)，20克乙烯二乙醇二丙烯酸甲酯(ethyleneglycoldimethacrylate)，10克丁基丙烯酸鹽(butylacrylate)，0.5克十二烷酰過氧化物(lauroylperoxide)(用作熱聚合的接觸劑)。
(2)制備把發光元件與光導體結合為一體的芯材單體化合物，其含有70克甲基丙烯酸甲酯(methylmethacrylate)，20克乙烯二乙醇二丙烯酸甲酯(ethyleneglycoldimethacrylate)，10克丁基丙烯酸鹽(butyl/acrylate)，3.0克安息香乙醚(benzoinethylether)(作紫外線聚合反應的接觸劑)。
把發光(或接收)元件與光導體結合為一體;
圖3A到3C分步說明把單個LEC(發光二極管)與光纖端部連成一體的過程，該光纖通過使作為包復層的FEP(聚四氟乙烯-聚六氟丙烯)作成的管子填滿上述(1)的單體化合物進行熱聚合來制造。具體地說，圖3A是該光纖端部的放大視圖，其中23表示光纖芯，24表示包復層。參照圖3B，由于只把芯材從光纖端部去掉了，所以圖3A中所表示的光纖端部向里縮了。因此在光纖端部形成一個空洞28。然后把LED元件21(表示沒有任何透明樹脂覆蓋的裸露發光元件)插到該空洞28里。隨后把前面(2)中所說的單體化合物注入該包復層即FEP管24里，如圖3C所示。最后用紫外線照射該端部，產生聚合反應。結果，可以得到一個包括整體固化或結合的發光元件與光纖的光學部件，其中LED的包封材料的折射率與芯材的完全一樣，因為它們是同一種化合物，而包復層24沒有發生什么變化并作為光纖的整體部分保持互相接觸。顯然該LED可用光接收元件代替。
用這種方法制造的光學部件在150℃環境中放100小時，沒有發現芯材突出到包層邊緣之外的現象。
例2到例13按照與上述例1類似的方法，用圖16表中給出的單體化合物，用例1里作為包復層的FEP管，制造出了光學部件。每個都包括做成一體的發光元件或接收元件與光纖的這些光學部件，在150℃下經受100小時耐熱實驗，被實驗的光學元件之中沒有任何一個發生比較向外突出的現象。
比較例1
用商業名稱為“CY52-113”的硅樹脂填充用FEP作成的直徑為1mm的管子，然后把它加熱到100℃，保持3小時，作成光纖。按2米長一段切開，根據下述方法加工成包括與光纖結合為一體的發光元件的光學選件，把切成2米長一段的光纖端部加熱到100℃左右使其軟化，隨后把芯子去掉10毫米左右，把一個LED元件(即沒有模壓成型在樹脂內的元件)放到去掉芯子而留下的空洞里。此后把加工光纖時用作芯材的硅樹脂“CY52-113”注到裝上了LED的空洞里，并把它們加熱到100℃，然后固化。這樣得到了一個由光纖和LED組成的整體組件。
用上述方法制造的光學部件在溫度為150℃的氣氛下放置100小時，發現在光纖兩端，其中包括埋有LED的端部，芯子突出了包復層邊緣以外。
比較例2除了用商業名稱為“CY52-110”的硅樹脂作芯材以外，用與比較例1同樣的方法制作出一個光學部件。在和比較例1相同的實驗條件下進行的熱性能實驗表明，芯子突出到了包復層以外。
例14和16這個實例中用的芯材與例1中的成分一樣。下面所說的例17和18也用這種材料。參考圖4A到4D說明例16，其中多根光纖直接整體耦合到一個LED元件T。圖4A中，M1表示有孔25的模子，這些孔用來安放相應數量的光纖，使每根光纖軸線的延長線分別垂直于模子的球形(LED定位在其中心處)內壁表面的切線方向。制造模子M1的材料與也是模壓成型的光纖包復層的材料相同。每根都由芯子23和包復層24構成的光纖F按圖4B所示分別插到模子M1的安裝孔25里。然后把制造光纖F的芯材23所用的單體化合物23A注入模子M1，如圖4C所示。接著把裝在引線架1上的LED的半導體芯片T定位在模子M1的球形內表面的中心，如圖4D所示。最后，通過加熱使注入模子M1里的單體化合物發生聚合反應，這就得到了一個由單個LED與多根光纖結合成一個整體的光學部件。因為使LED成型的材料(即包封LED的芯材)與光纖芯材23一樣，并且LED的包復層材料(即模M1的材料)與光纖的包復層材料24一樣，所以由LED構成的光源效率很高。下面將說明用這種方法得到的光學部件的典型應用。顯然，LED可用光接收元件如光電二極管代替。
例15這個實例描述把多個光波導或光導體與單個LED整體連接的方法。首先，用帶有圓柱形細棒30的鑄模39制造出帶有一套光連接頭31的模子M2，安裝細棒30使其軸線的延長線垂直于球形鑄模(LED定位在其中心)表面的切線方向，如圖5A所示。然后抽掉細棒30，把鑄模39的頂部去掉，如圖5B所示。隨后注入透明的成型材料23A，再放上連在引線架1上的LED元件;如圖5C所示。在透明材料23A固化以后，拆掉鑄模39。這樣制出了包括與多個光波導或光導體結合成一體的LED的光學部件。由于帶有連接頭組件，所以很容易把相應數量的光纖與LED連在一起。LED的電極可以在接連到電路上。
例16參考圖6A到6D，這個實例主要說明由一個LED元件與多根光纖作成一體的光學部件的制作方法。例中用的模子37有很多個孔，每個孔的軸線延長線與模子的球形(LED放在其中心位置)內表面的法線方向一致。把每根由芯子23和包復層24組成的相應數量的光纖分別插入各個孔里，然后把與制造光纖所用材料的單體化合物一樣的成型材料經成型樹脂注入口27注到模里，如圖6A所示。再把連到引線架1上的LED放到預定位置，即放在成型室的球形壁的中心位置，如圖6B所示。在這狀態下進行固化處理。固化反應完成以后，去掉模子37，如圖6C所示，最后，把成型的產品浸到折射率與光纖F的包復層24一樣的聚合物溶液池里，從而在包封LED元件的成型材料(芯材)的整個表面和光纖F的部分表面都涂上了一層涂覆材料34。用這種方法，LED元件的表面包上分別由芯材23和包復材料34形成的兩層，象光纖的情況一樣。由于芯材23A和包復材料34的折射率分別與光纖芯和光纖包復層的一樣，因此可以得到光源(LED)和光導體(光纖)固化或結合成一體的光學部件。采用這種光學部件的結構可以用極其簡單的方式以整體耦合的光纖把光傳到所需的地方，而不需任何光學連接器，只簡單地把LED的端線與電路相連。
上面通過幾個例子說明了其中的發光元件和光導體耦合或結合成一體的化學部件的制造。雖然至此假定使用LED元件，但是很容易理解，當用半導體激光器或光接收元件時，其制造方法當然完全一樣。
在敘述了把發光元件(或接收元件)與光導體(光纖)作成一體的光學部件的制作方法之后，下面將說明這種光學部件的典型應用。
圖7A和圖7D，圖8A和圖8B僅僅舉例說明這種把發光元件或接收元件與光導體(光纖)作成一體的光學部件在家用電器上的應用。具體地說，圖7A和7B說明該光學部件在洗衣機上的應用，圖8A和8B表示它在電吸塵器上的應用。參考圖7A和7B，首先說明它在洗衣機上的應用。圖中的洗衣機包括內筒40和其底部有一個排水口42的外筒41。把兩個測量水位的光傳感器P1和P2沿不同垂直位置分別安裝在外筒41的豎直壁上。第三個指示洗滌水骯臟程度的傳感器P3安裝在排水口或排水管42附近。圖7A中實線圈起的部分表示水位傳感器P1結構的放大圖。可以看到，棱鏡PR裝在筒壁上，而根據本發明由發光元件LED和光導纖維F構成一體的第一個光學部件，與根據本發明由光接收元件PD(例如光電二極管)與光纖F構成一體的第二光學部件安裝在一起，其中從第一個光學部件的LED發出的光經連接光纖F傳到棱鏡PR，由棱鏡表面反射的光經連接光纖介質傳到光電二極管PD。在這種連接方式中，應該注意，棱鏡PR的反射面確定了外筒41內壁表面的一部分，不用說，當棱鏡反射面與空氣接觸和與水接觸時，該棱鏡的反射角不一樣。因此，當水面到達與該棱鏡反射面相接觸的地方時，射到光電二極管PD上的光的多少將產生變化。因此這就能夠探測出洗衣機里的水位。
通過光電二極管PD的電路和進水管(未畫出)上的電磁閥電路適當地匹配，可以自動可靠地控制給洗衣機加水。另外，如上所述，沿不同高度安裝傳感器P1和P2，可以選擇不同的洗滌水量。
如上所述由LED和光電二極管PD組成并安裝在出口42的傳感器P3可以探測出水是否全部排干。另外，當把本發明由發光元件和光纖構成一體的第一個光學部件和本發明由光接收器和光纖構成一體的第二個光學部件按圖7B所示方式共同安裝在排水口上時，不僅在洗滌時，而且在漂洗時都可以測出水的骯臟程度。因此可以適當控制洗滌。漂洗等過程的長短。具體地說，在圖7B所示光學部件的布置中，把第一個有LED的光學部件和第二個有光電接收器的光學部件沿排水管42的直徑方向相對安裝。因此，當流過這兩個光學部件的水變臟時，傳到光電接收元件即光電二極管PD上的光強就大大降低。相反，漂洗時流過排水管42的水的透明度增加，結果使傳到光接收元件或光電二極管PD上的光強增加，因此可以定出適當的漂洗時間。
實際上洗衣機是一種用水設備。因此，為上述目的使用電傳感器可能遭到諸如漏電一類的麻煩。為此，需要和傾向于使用光傳感器。然而由于如前所述在連接發光元件和/或光接收元件與光導體或光纖時有很多困難，所以實際應用光學傳感器探測水位和水的骯臟程度一直是不成功的。隨著本發明的由發光元件或接收元件與光導體構成一體的光學部件的出現，不用任何光連接器就能使光傳感器在洗衣機及其它各種家用電器上用于各種各樣的目的。只要把發光元件或接收元件的電極與適當的電路連起來，就能使本發明的光學部件工作。
圖8A和8B表示本發明的由發光元件或接收元件與光導體(光纖)構成一體的光學部件在電吸塵器上的應用。參照圖8A，傳感器組件，即由發光元件LED和光纖F構成一體的第一個光學部件和由光接收元件PD及光纖F構成一體的第二個光學部件，沿直徑方向彼此相對地裝在吸塵器45的吸氣口46的四周。通過吸氣口46的灰塵使傳到光接收元件PD上的光減弱，這本身意味著可以測定吸入的灰塵的量。更具體地說，把光接收元件PD輸出的有用數據用到適當電路上控制與吸塵器輪相連的驅動單元，可以實現按指令能探測出已清掃過的地方并移到其他地方去的無人操縱吸塵器。
圖9是本發明光光部件在汽車油箱或汽車齒輪箱上的應用，其目的是探測出箱內汽油或潤滑油的數量和潤滑油的使用壽命。
參看圖9，四個棱鏡式探測器裝在汽車油箱47的箱壁48上。每個傳感器的結構都與圖7A里放大部分所表示的一樣，而且它們包括由LED(發光二極管)和光纖F構成一體的第一個光學部件和由光接收元件(如光電二極管)及光纖構成一體的第二光學部件，以及一個有反射面P1(其確定了油箱47的壁的一部分)的棱鏡PR。根據箱47里油的高度，該棱鏡反射面將與空氣或汽油接觸。由于空氣和汽油的折射率不一樣，所以棱鏡面P1接觸到汽油和空氣時，LED發出的并穿過光纖F的入射光在棱鏡表面P1的反射角不一樣。這樣便通過第二個光學部件的光纖F并射到光電二極管PD上的光的多少發生變化。由光接收單元輸出的可用數據可以用來確定油箱內是否有油。另外，安裝上多個上述結構的傳感器，可以探測出油箱內的剩余油量。
把電傳感器用于上述目的，可能引起汽油爆炸等危險。而用本發明的光學部件作成的光傳感器，可以完全排除這種危險。換句話說，根據本發明的教導，可以十分安全而可靠地測量出油箱內是否有油。
圖10表示本發明光學部件用到汽車油箱上測量油箱47里油量的另一種應用。由于傳感器的連接和安裝關系，圖10所示裝置與圖9的不同。具體地說，圖10所示裝置中，輔助管49裝在油箱47上，其中每根輔助管裝了包括由發光元件LED和光纖F構成一體的第一個光學部件和由光接收元件PD與光纖F構成一體的第二個光學部件的傳感器，在管49的四周沿直徑方向相對地安裝上第一個和第二個光學部件，如實線圈起來的局部放大視圖所示，其中第二個光學部件的光接收元件PD接收第一個光學元件的LED發出的光。由于在管內是空氣還是汽油時通過管子49的光量不同，所以根據光接收元件PD的輸出可以確定油箱內是否有汽油。
圖11表示本發明的光學部件在汽車潤滑油箱上檢測其油量和該潤滑油使用壽命的光探測器上的應用。
實線S1圈起來的局部放大視圖清楚地表示出了裝在潤滑油箱上探測潤滑油量的傳感器的結構。它與圖9和圖10中所表示的棱鏡式傳感器裝置基本一樣。另外實線S2圈起來的局部放大視圖表示裝在潤滑油箱50的輔助管51上的用于確定該潤滑油使用壽命的光探測器裝置。具體地說，在輔助管51的橫斷面上沿直徑方向彼此相對地安裝上由LED和光纖構成一體的第一個光學部件和由光電二極管和光纖組成一體的第二個光學部件。眾所周知，經過一段使用時間后，機器潤滑油就逐漸地混上了齒輪磨損產生的金屬微粒，從而被污染。因此，由第一個光學部件的LED發出的并由第二個光學部件的光電二極管接收到的光的強弱，隨著由于磨損產生的并混到第一個和第二個光學部件之間的潤滑油中的金屬顆粒的多少以及該潤滑油變質產生的顏色變化而變化。從而可以確定出該潤滑油的使用壽命。用與上述光傳感器相連的報警電路，可以確定出更換潤滑油的時間，從而可以有效地保養齒輪機構。
在上述應用中，根據該光學部件的用途，可以選擇使用由一個發光元件或接收元件及一根光導體(光纖)構成一體的光學部件或由一個發光元件或接收元件與多根光纖構成一體的光學部件。
如上所述，本發明提供了一種把發光元件或接收元件與光導體或光導管作成一體的并且具有很高傳輸效率的光學部件。本發明的光學部件可以廣泛用在各種設備、儀器、機器、儀表上，以及用在那些最好使用這類或類似的光學元件，但因連接發光元件或接收元件與光纖的困難而沒有用上的各種家用電器上。只要把發光元件或接收元件與相應電路簡單相連而無需昂貴的連接器和高超的技術就可使用本發明的光學部件。隨著本發明光學部件的出現，許多工業領域其中包括家用電器制造廠商正在利用本發明的光學部件。
圖12A和12B是由發光元件和光導體作成一體的光學部件在照明顯示板上的應用實例。
在圖12A所示實例中，直徑為10mm的由芯子和包復層組成的圓柱形光傳輸棒52為光導體。對包復層上互不相連的幾個地方進行熱處理形成一些讓發光元件LED發出的光向外泄漏的窗孔53。讓面板55的顯示部分54與窗孔53一一對應，從窗孔53漏出的光可以照亮顯示部分54，圓柱形光傳輸棒52可以轉動地支承。讓棒52的轉動與開關裝置(未畫出)的動作協調一致，使照明器在“A”方式工作時，標了“A”的窗孔53靠近標了“A”的顯示部分使其被照明。同樣，標了“B”和“C”的顯示部分可以通過棒52的轉動和開關的協調工作使其被照亮。因此用單個光源可以把很多顯示部分照亮。
圖12B表示使用由單個LED和多個光纖構成一體的光學部件的照明器。具體地說，光纖F1到F3整體耦合到LED元件，其中每根光纖的端部分別牢固地連到面板55的顯示窗56。在光纖的中間部分用一開關裝置擋住光束，這樣可以只照亮預定的顯示部分。
上面例舉的面板照明可以被廣泛地用在各種工業設備、機器、儀表及家用電器上。
圖13是本發明光學部件在轉速計(轉速表)上的應用。參照該圖，把一個具有許多沿圓周彼此等距分布的狹縫62的圓盤安裝在待測或待控制的儀器的軸60上。把由發光元件LED和光纖F構成一體的第一個光學部件和由光電二極管PD及光纖構成一體的第二個光學部件分別安裝在C形傳感器63的兩頭，使LED元件發出的光在軸60旋轉時通過狹縫62射到光電二極管62上。因此根據光電二極管接收到的光脈沖個數可以測量出軸60的轉速。用由此得到的數據可以控制軸60的轉速，當圓盤上的狹縫用一些反射元件代替時，被反射的光線射到第二個光學部件的光電二極管上，因此也能測出并控制軸60的轉數。
由上面的敘述可知，這種把發光元件或接收元件與連接器(其連接該元件同光導體或使它們牢固地結合在一起)作成一體的光學部件，使發光元件或接收元件非常容易地與光纖或光纖束連在一起，而不需要昂貴的連接器或透鏡等。
權利要求
1.一種用于光傳輸的光學部件，其特征在于包括一個光導體和發光和/或接收元件，光導體包括用透明高分子材料制造的芯子和用比所說芯材的折射率小的高分子材料制造的包復層或包復層/外套組件，發光和/或接收元件與所說光導體的至少一端相連，其中所說的芯子的剛性比所說的包復層或包復層與外套組件的剛性大，并且其中把所說發光元件和/或接收元件與所說光導體至少在一端結合成一體的高分子材料的折射率和所說的芯材的基本一樣。
2.一種用于光傳輸的光學部件，其特征在于包括一個光導體和發光和/或接收元件，光導體包括用透明高分子材料制造的芯子和用比所說芯材的折射率小的高分子材料制造的包復層或包復層/外套組件，發光和/或接收元件與所說光導體的至少一端相連，其中所說的芯子的剛性比所說的包復層或包復層/外套組件的剛性大，并且其中把所說發光元件和/或接收元件與所說光導體至少在一端結合成一體的高分子材料的成分與該芯材的基本一樣。
3.根據權利要求1或2的用于光傳輸的光學部件，其中把所說發光元件和/或接收元件與所說光導體至少在一端結合為一體的所說高分子材料是一種透明的橋接(交連)型樹脂。
4.根據權利要求1到3中的一個的用于光傳輸的光學部件，其中所說光導體的芯材是一種透明的橋接(交連)型樹脂。
5.一種用于光傳輸的光學部件，其特征在于包括一個光導體和發光/接收元件，光導體包括用透明高分子材料制造的芯子和用比所說芯材的折射率小的材料作的包復層或包復層/外套組件，發光和/或接收元件與所說光導體相連，其中所說光導體有多根并在其一端相接在一起，所說芯子的剛性比所說包復層或該包復層/外套組件的剛性大，并且其中把所說發光元件和/或接收元件至少在所說的一端與所說的多根光導體結合成一體的高分子材料的折射率，與所說芯材的折射率基本一樣。
6.一種用于光傳輸的光學部件，其特征在于包括一個光導體和發光/接收元件，光導體包括用透明高分子材料制造的芯子和用比所說芯材的折射率小的材料作的包復層或包復層/外套組件，發光和/或接收元件與所說光導體相連，其中所說光導體有多根并在其一端相連在一起，所說芯子的剛性比所說包復層或包復層/外套組件的剛性大，并且其中把所說發光元件和/或接收元件與所說的多根光導體至少在所說的一端結合為一體的高分子材料的成份與該芯材的成分基本一樣。
7.根據權利要求5或6的用于光傳輸的光學部件，其中所說光導體的芯材是一種透明的橋接(交連)樹脂。
8.根據權利要求3到7中的一個的用于光傳輸的光學部件，其中所說的芯材是通過使包括由下述通用分子式(Ⅰ)給出的單體的單體化合物發生聚合反應，形成的高分子材料
其中R1和R2代表H或CH3，n表示1到23的整數。
9.根據權利要求3到8中的一個的用于光傳輸的光學部件，其中所說的芯材是通過使包括下述通用式(Ⅱ)給出的單體和由下述通用式(Ⅲ)給出的單體的單體化合物發生聚合反應，生成的高分子材料
其中R1、R2表示H或CH3，n表示1到23的整數，
其中R3表示H或CH3、R4表示H或從含碳原子個數為1到18的烷基類中選出的基。
10.一種制造光學部件的方法，其特征在于包括下述步驟制作光導體，該光導體包括用透明高分子材料作的芯子和用折射率比所說的芯材的折射率小的透明高分子材料作的包復層，所說的芯材的剛性比該包復層的剛性大。從所說的光導體端部去掉芯材;把發光元件和/或接收元件放到所說光導體的去掉了芯材的端部;用折射率與所說芯材基本一樣的材料，把所說發光元件和/或接收元件和所說光導體作成一體。
11.一種制造光學部件的方法，其特征在于包括下述步驟制作一個折射率和所說光導體的包復層的折射率基本一樣的透明高分子材料的連接元件，其上有插入所說光導體的孔和安裝發光元件和/或接收元件的空腔;在所說光導體的插入孔中插入光導體，該光導體包括用折射率比制作所說光導體芯材的折射率小的高分子材料作的包復層，所說芯材的剛性比所說包復層的剛性大;把所說的發光元件和/或接收元件放進相應安裝空腔;用與所說芯材的折射率基本一樣的高分子材料，把所說的發光元件和/或接收元件作成一個整體。
12.一種制造光學部件的方法，其特征在于包括下述步驟把光導體插到有一個以上的光導體安裝孔和發光元件和/或接收元件安裝空間的成型模里，每個光導體包括用折射率比所說芯材的折射率小，剛性也比所說芯材的剛性小的高分子材料作的包復層;把所說的發光元件和/或接收元件放到所說的鑄模里;把所說發光元件和/或接收元件用折射率與所說芯材的折射率一樣的高分子材料成型。把折射率與所說包復層材料的折射率基本一樣的材料涂覆在所說芯子的露出部分。
13.一種光學傳感器裝置，其特征在于包括一個光導體和發光和/或接收元件，光導體包括用透明高分子材料作的芯子和用折射率比所說芯材的折射率小的高分子材料作的包復層或包復層/外套組件，發光和/或接收元件與所說光導體的至少一端相連，其中所說的芯子的剛性比所說的包復層的剛性大，并且其中所說發光元件和/或接收元件與所說光導體在一端結合成一體的高分子材料的折射率與所說芯材的折射率基本一樣。
14.根據權利要求13的光傳感器裝置，被用在洗衣機中檢測水量和/或水的骯臟程度。
15.根據權利要求13的光傳感器裝置，被用在吸塵器上探測該吸塵器吸入的空氣中的灰塵數量。
16.根據權利要求13的光傳感器裝置，被用在潤滑油箱上探測潤滑油的數量和/或潤滑油被污染程度。
17.根據權利要求16的光傳感器裝置，其中使用該光傳感器裝置的所說的潤滑油箱裝在汽車上。
18.根據權利要求16的光傳感器裝置，其中使用該光傳感器裝置的所說的潤滑油箱裝在工業機器上。
19.根據權利要求13的光傳感器裝置，被用在轉速計上作為探測裝置。
全文摘要
一種光傳輸光學部件，包括由透明材料作的芯子和用折射率比該芯材小的材料作的包覆層組成的光導體，以及發光和/或接收元件。其中用和芯材一樣的或者折射率與芯材一樣的，剛性比包覆層和/或外套材料大的材料，把發光元件和/或接收元件作成一體。該光學部件可在高溫下使用而沒有任何明顯的光傳輸損耗。
文檔編號G01P3/486GK1033698SQ8810626
公開日1989年7月5日 申請日期1988年8月27日 優先權日1987年8月28日
發明者丹野清吉, 竹谷則明, 江口州志, 淺野秀樹, 崎行雄, 沱摩勇悅, 射場本正彥, 向井淳二 申請人:株式會社日立制作所, 日立電線株式會社